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1、基于GPU加速的錐束CT重建算法研究重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文（專業(yè)學(xué)位）學(xué)生姓名：張偉指導(dǎo)教師：米德伶教授學(xué)位類別：工程碩士（光學(xué)工程領(lǐng)域）重慶大學(xué)光電工程學(xué)院二O一六年五月ResearchonFastCone-beamCTReconstructionAlgorithmsUsingGPUAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheProfessionalDegreeByZhangWeiSupervisedbyPr
2、of.MiDelingSpecialty：ME(OpticalEngineeringField)CollegeofOptoelectronicEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2016中文摘要摘要CT（ComputedTomography）是通過射線掃描被測物最終獲得被測物內(nèi)部信息的一門技術(shù)，它是無損檢測領(lǐng)域里一個重要的分支，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、航空航天、機(jī)械等領(lǐng)域當(dāng)中。其中，錐形束CT技術(shù)，則以掃描速度快、空間分辨率高等特點(diǎn)已成為目前CT研究工
3、作的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。然而，錐形束CT掃描獲得的數(shù)據(jù)量龐大，算法相對復(fù)雜，重建時(shí)間較長，無法滿足實(shí)際應(yīng)用中實(shí)時(shí)性的要求。近半個世紀(jì)以來，隨著圖形處理器（GPU，GraphicsProcessingUnit）的迅速發(fā)展，其強(qiáng)大的并行運(yùn)算能力對CT重建算法的加速產(chǎn)生了革命性的意義。尤其是，CUDA架構(gòu)的提出，促使GPU的可編程性增加，方便了開發(fā)者快速掌握其應(yīng)用，縮短了開發(fā)周期，這對錐形束CT重建算法的加速開展研究工作提供了一種新技術(shù)或新途徑。本文主要針對錐形束FDK算法展開研究，首先，簡述了CT技術(shù)及CT重建加速算法的研究現(xiàn)狀、目
4、的和意義；其次，概述了CT系統(tǒng)的組成、X射線的性質(zhì)以及CT成像的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)；第三，從二維扇形束CT的FBP算法研究著手，重點(diǎn)對算法過程中濾波函數(shù)的選取加以分析，進(jìn)而完成了三維錐形束CT的FDK算法研究工作；最后，以人的頭骨模型為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于GPU完成了三維錐形束CT的FDK算法的研究。研究結(jié)果表明，第一，濾波函數(shù)的選取將會影響重建圖像的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)以二維Shepp-Logan模型為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了幾種將濾波函數(shù)按照一定權(quán)重整合的方式構(gòu)造出了新的混合濾波函數(shù)的方法。基于此，分別研究了在不含噪聲和含噪聲的情況下的CT重建圖
5、像的質(zhì)量情況。在不含噪聲的情況下，RL-SL濾波函數(shù)CT重建圖像質(zhì)量最高，在含噪聲情況下，F(xiàn)BP算法CT重建圖像質(zhì)量普遍較差，但RL-NEW濾波函數(shù)在此情況下，CT重建圖像質(zhì)量略優(yōu)于其他濾波函數(shù)；第二，利用GPU對FDK算法并行運(yùn)算有較為顯著的優(yōu)勢。通過以人的頭骨模型為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對體數(shù)據(jù)尺寸為256*256*256和512*512*512的情況，分別使用CPU和GPU進(jìn)行CT三維重建?；贑UDA架構(gòu)，利用GPU進(jìn)行重建的方法和單獨(dú)使用CPU的方法相比，均獲得了100倍以上的加速比，且重建體數(shù)據(jù)尺寸越大，加速的效果更加
6、明顯。因此，可以得出的結(jié)論是，隨著CUDA技術(shù)的不斷成熟，GPU性能的不斷提高，三維錐形束CT重建算法的速度也將會有質(zhì)的提升，這可以較好地滿足CT重建實(shí)時(shí)性的要求。關(guān)鍵詞：錐形束CT，圖像重建算法，濾波函數(shù)，CUDA架構(gòu)，GPU加速I英文摘要ABSTRACTCT(ComputedTomography)isatechnologyusedtoobtaininternalinformationofmeasuredobjectsbytheX-rayscanning.Thistechnologyisanimportantbranc
7、hinthefieldofnondestructivetestingandwidelyusedinindustrial,medical,aerospace,machineryandotherfields.Withthecharacteristicsoffastscanningspeedandhighspatialresolution,thecone-beamCTtechnologyhasbecomethefocusandhotspotofCTresearchcurrently.However,thegreatamount
8、ofcomputationanddatatransmissionrequirementofcone-beamCT3Dimagesreconstructionmakesittime-consuming,anditisimpossibletomeettherequirementof3Dimagesreconstructi
